二次生烃是指烃源岩在地质历史过程中初次进入生烃门限，经历了一次生烃过程之后，由于抬升剥蚀等原因造成地层温度降低，生烃作用停止；此后再次深埋或特殊的地质热事件使地层温度升高，并达到合适的热动力学条件，烃源岩再次生烃的过程(图 1).二次生烃受盆地构造沉积史和热演化史控制并且会影响现今油气藏的分布^[1~5]，中国的大多数盆地都经历了复杂的构造-热演化史，所以二次生烃作用较多发生^{[6， 7]}.国内学者对二次生烃的研究始于20世纪90年代，主要应用热模拟实验方法，以煤及Ⅱ型、Ⅲ型干酪根为主要研究对象，重点研究烃源岩二次生烃的生烃过程、生烃量、反应机制以及化学动力学等机理和生烃规律^[8~17]，针对典型盆地二次生烃的发生范围、分布规律、影响因素研究相对较少^[18~23].分析烃源岩成熟过程，研究盆地二次生烃的发生时间和范围，对于揭示二次生烃的控制因素、认清二次生烃与油气成藏的关系以及明确盆地的二次生烃潜力，都有着十分重要的意义.

图 1

Fig. 1

图 1 TZ6井构造-热演化史(a)和烃源岩成熟史(b) Fig. 1 Tectono-thermal evolution history (a) and sourse rock maturity history (b) of well TZ6

塔里木盆地是中国主要的大型含油气盆地之一，它是一个多旋回叠合盆地，盆地中发育震旦系与下古生界(Z-O)海陆交互相-海相地层、中古生界(S-D)海相-海陆交互相地层、上古生界(C-P1)海相-陆相地层、上古生界-下中生界(P₂-T)陆相地层、上中生界(J-K)陆相地层以及新生界(E-Q)海相-陆相地层.发育寒武系、中上奥陶统、石炭系和三叠-侏罗系等多套烃源岩，其中寒武系-奥陶系是塔里木盆地的主力烃源岩层段^{[24， 25]}.盆地先后经历了塔里木、库鲁克塔格、加里东、海西、印支、燕山、喜山等多期构造运动.从震旦纪至今，盆地的演化发展先后表现为克拉通边缘坳拉槽阶段(Z-O)、周缘前陆盆地阶段(S-D)、克拉通边缘坳陷和克拉通内裂谷阶段(C-P)、前陆盆地阶段(T)、断陷盆地阶段(J-E)和复合前陆盆地阶段(N-Q).盆地历经多次沉降、隆升，不同构造层呈现不同的复杂构造特征，通常以下古生界“三隆四坳"的构造格局将盆地划分7个构造单元，自北而南依次是:库车坳陷、沙雅隆起、北部坳陷(阿瓦提断隆、顺托果勒隆起、满加尔凹陷和孔雀河斜坡)、中央隆起(巴楚隆起、卡塔克隆起、古城墟隆起和唐古孜巴斯凹陷)、西南坳陷(麦盖提斜坡、喀什凹陷、莎车隆起和叶城凹陷)、塔南隆起(北民丰罗布庄断隆)、东南坳陷(于田若羌坳陷)^[24~27].塔里木盆地边缘受多阶段板块运动的影响，产生多期地质热事件，它们发育的时代分别为震旦纪-寒武纪、奥陶纪、二叠纪、白垩纪等^[28].塔里木盆地油气形成和演化受演化特征和地质热事件的影响，具有复杂的多期次、动态化特征^[29~41]，寒武系和奥陶系早期生成的油气由于加里东期和海西期强烈构造运动大部分已经散失^[42~43]，中新生代的二次生烃及后期更多次的生烃过程显得异常重要.目前发现的大部分下古生界油气藏也是在中新生代形成的.

二次生烃实际上与烃源岩分布、地化特征和盆地演化等多个条件息息相关，本次研究仅从构造-热演化条件出发，探讨塔里木盆地下古生界烃源岩二次生烃的可能性，划分出二次生烃的范围，以期对认识二次生烃油气藏起到指导作用，并对进一步的研究提供一些基础.

本文主要通过研究单井的沉积埋藏史和热演化史来研究烃源岩的成熟过程，确定发生二次生烃的层位和时间.采用地层厚度、剥蚀量和各个时期的地温梯度，利用Basin Mod1D 盆地模拟软件，来模拟沉积埋藏史和热演化史，图 1 为卡塔克隆起上TZ6井埋藏史及热演化史和烃源岩成熟史的模拟结果，可以看出，对寒武系烃源岩来说，在奥陶纪末期发生过一次生烃之后，经历了强烈的抬升剥蚀，相应的烃源岩演化停止，之后在二叠纪，本区大地热流有所增高，且埋藏深度进一步加深，足以使下古生界烃源岩开始二次生烃的过程.用同样的方法，模拟了塔里木盆地不同构造单元具有代表性的共50 余口井的烃源岩演化史(图 2)，发现塔里木盆地烃源岩的成熟演化史主要有三种类型:有些地区没有二次生烃存在，或因长期以来地层连续沉降造成烃源岩连续生烃(图 3a)；或因早古生代末期下古生界烃源岩停止演化后其埋深和热条件不足以使烃源岩进一步演化(图 3(b, c))；有些地区存在二次生烃现象(图 1).综合分析单井构造-热演化史模拟结果，结合盆地构造演化和受热规律，便可以确定不同烃源岩层二次生烃的发生范围，从而分析二次生烃发生的条件及其对油气藏形成和分布的影响.

图 2

Fig. 2

图 2 塔里木盆地构造分区和构造-热演化模拟研究井位分布 Fig. 2 Sketch map of structural units in the Tarim Basin and tectono-thermal evolution well locations

图 3

Fig. 3

图 3 塔里木盆地典型井烃源岩成熟史 Fig. 3 Sourse rock maturity history of some typical wells in the Tarim Basin

基本参数包括地质参数和地球化学参数，地质参数包括各个地层的分层和岩性数据、剥蚀量数据、热史数据，分层和岩性数据利用钻孔实测值，剥蚀量数据来自近五年内的研究成果1，2)，热史成果来自研究区前人对全盆地以及各个构造单元的研究成果2~6)^[33~41]，地球化学参数主要是镜质体反射率Ro, 采用的都是前人在此地区的实测值2~6)^[41].在模拟中生烃模型采用Easy%Ro模型^[42].

研究发现，北部坳陷(图 3a)西南坳陷(图 3b)和塔里木盆地东端的孔雀河斜坡(图 3c)都没有二次生烃.发生二次生烃的井集中在中央隆起带和塔北隆起带上，其生烃史特征如下文所述.

巴楚隆起多口井的生烃史都很类似，奥陶系烃源岩在志留纪末才开始成熟，在石炭纪由于地层持续沉降埋深而达到大量生油阶段，之后快速演化至过成熟.寒武统烃源岩在早奥陶世进入生烃门限，早奥陶世的抬升剥蚀对寒武系烃源岩生烃过程有一定影响，使烃源岩演化过程停止，在志留纪的时候，烃源岩才继续增熟生烃并且在二叠纪达到过成熟阶段.从海西末期巴楚隆起抬升剥蚀，直到喜马拉雅期才接受沉积，因此缺失了三叠系至古近系的地层.新近系以来的沉积对下部地层的热演化几乎没有影响，烃源岩没有继续增熟，所以现今测得的烃源岩成熟度应该是晚海西期的成熟度(图 4).总之在巴楚隆起寒武系烃源岩受早奥陶世的抬升剥蚀影响有一定程度的二次生烃发生.

图 4

Fig. 4

图 4 塔里木盆地巴楚隆起烃源岩成熟史 Fig. 4 Sourse rock maturity history of Bachu uplift in the Tarim Basin

卡塔克隆起北端、南端和东部的Sh2 井、TZ1井和Z41井、TZ29井生烃史恢复结果显示，卡塔克隆起北端的地区下古生界烃源岩为连续生烃.而东南部寒武系底部烃源岩在早古生代末进入生油高峰并且达到过成熟，生烃潜力已经消耗殆尽，即使后期埋深和温度条件都超过古生代末期，也不可能再次生烃.但寒武系顶部和下奥陶统烃源岩在早古生代末处于生油高峰，显然在热动力条件合适的情况下，是可能发生二次生烃的.但是构造-热演化史表明，下古生界地层晚古生代以来，埋藏深度没有超过早古生代末期，并且古地温也没有达到可以使源岩再次生烃的温度，现今下古生界中测得的成熟度值，应该是早古生代末的成熟度(图 5(a, b)).

图 5

Fig. 5

图 5 塔里木盆地卡塔克隆起烃源岩成熟史 Fig. 5 Sourse rock maturity history of Katake uplift in the Tarim Basin

卡塔克隆起中部的Z1 井、Z11 井、Z2 井、TZ22井、TZ10井、TZ12井、TC1井和TZ6井等的生烃史恢复结果表明，上奥陶统烃源岩早古生代尚未开始生烃，石炭纪的时候才开始进入成熟阶段.下奥陶统和寒武系烃源岩在奥陶纪末期分别进入早-中成熟期和中-高成熟期之后，由于受加里东中期强烈构造运动的影响，在早古生代晚期大幅度隆升，造成一定范围内寒武-奥陶系烃源岩演化停止；而在泥盆纪后地层沉降深埋，并且在石炭-二叠纪，火成岩活动造成本区大地热流增高，足以使下古生界烃源岩开始二次生烃的过程，并且持续至今.进入中生代之后，演化过程缓慢进行(图 5(c, d, e)).

古城墟隆起西端GL1井和GC4井的构造-热演化史恢复结果表明，寒武系和下奥陶系烃源岩由于埋藏深度较深，在奥陶晚期普遍达到过成熟，所以没有二次生烃潜力；奥陶世晚期，在南北向强烈挤压环境下，盆地几乎整体抬升，本地区地层也受到巨大影响，奥陶系地层遭受一定程度的抬升剥蚀，烃源岩停止生烃；志留纪-中泥盆世本区沉积了近千米的碎屑岩地层，中上奥陶系烃源岩达到合适的埋深条件，开始二次生烃，并达到过成熟阶段(图 6a).古城墟隆起东部的烃源岩成熟度史表明，寒武、奥陶系烃源岩在海西运动之前就结束了生油，因为前期生烃之后烃源岩已达到过成熟，所以不再具有二次生烃潜力(图 6b).

图 6

Fig. 6

图 6 塔里木盆地古城墟隆起烃源岩成熟史 Fig. 6 Sourse rock maturity history of Guchengxu uplift in the Tarim Basin

沙雅隆起西端的英买力凸起上，西端的小片地区地层基本上为连续沉降，所以生烃过程为连续的；YM1井，YM2井和YM7井下古生界烃源岩演化过程比较类似，体现了二次生烃的特征，在奥陶纪末期刚刚达到成熟，之后由于海西期到燕山期大规模的挤压抬升剥蚀影响，烃源岩演化被迫停止，直到新生代塔里木盆地的整体下沉，达到了适当埋深，才促进烃源岩的二次演化，达到现今的成熟阶段(图 7a).

图 7

Fig. 7

图 7 塔里木盆地沙雅隆起烃源岩成熟史 Fig. 7 Sourse rock maturity history of Shaya uplift in the Tarim Basin

而英买力凸起东部紧邻的哈拉哈塘凹陷，典型井的烃源岩成熟史表明，下古生界烃源岩的演化是一个连续的过程(图 7b).而且收集的镜质体反射率数据也显示，S83井现今成熟度达到低成熟阶段，所以二次生烃不可能存在.

沙雅隆起东部(草湖凹陷和库南断凸以及轮南低凸起)的地区自奥陶纪中上统以来一直处于剥蚀状态，中上奥陶统烃源岩已经由于抬升而剥蚀殆尽，从白垩纪开始地层接受沉积快速下沉，从而影响了寒武系、奥陶系等的烃源岩中有机质成熟度的加深和进一步演化.研究发现，轮南低凸起中间的小片地区(LN5井、LN1和LN46井区)下奥陶统和寒武系烃源岩在奥陶纪分别达到低成熟和中-高成熟阶段，之后构造运动地层抬升使生烃过程停止，白垩纪以后的快速沉降才引起本期烃源岩大量生烃，是烃源岩的主要生烃期(图 7c).而LN15、LN14、LX2、LN46和C2等井的生烃史恢复结果表明，东部较大部分地区的奥陶系烃源岩在石炭纪以前还未成熟，在白垩纪以后快速沉降才引起了烃源岩的增熟生烃(图 7d).但寒武系烃源岩却因为在中生代以前可能达到低成熟或者成熟阶段，所以有二次生烃现象出现.

沙雅隆起东端的KQ2井烃源岩为连续演化(图 7e)，而东北处KN1井R_o 值具有明显的分段性，在三叠纪以后的的烃源岩层演化程度明显低于寒武奥陶系烃源岩，这说明寒武奥陶系烃源岩在早古生代已达到最大成熟度，虽然白垩纪以后的快速沉降使寒武奥陶系埋深超过早期最大埋深，但是由于地温梯度的下降，使热条件不足以烃源岩进一步增熟，所以不存在二次生烃.且由此可以推断，沙雅隆起上草湖以东地层剥蚀量很大的地区，由于早古生代埋深较深，而现今地热条件不够，不存在二次生烃.

通过以上研究，可以划定构造-热演化条件控制下的塔里木盆地寒武系和奥陶系烃源岩二次生烃范围，基本上分布在塔中隆起带和塔北隆起带上(图 8).

图 8

Fig. 8

图 8 塔里木盆地奥陶系和寒武系烃源岩二次生烃范围 Fig. 8 The range of secondary hydrocarbon generation of Cambrian-Ordovician source rocks in the Tarim Basin

奥陶系烃源岩二次生烃发生范围分布在卡塔克隆起中部、古城墟隆起西端、沙雅隆起西部的英买力地区以及轮南中部小范围地区(图 8).而各个构造单元二次生烃特征的不同主要体现在开始时间的不同上.基本上各个构造单元第一次生烃都是受到早古生代末构造运动的影响，在奥陶纪末期被迫停止.但是之后二次生烃开始的时间却大有不同，沙雅隆起的英买力地区由于从海西期到燕山期都经历着大规模的挤压抬升，地层剥蚀十分严重，直到新生代地层才接受沉积，开始下沉，因此二次生烃开始时间十分晚，大致在古近纪末期，距今20 Ma时(图 7a)，而轮南地区由于地层沉降相对早些，所以二次生烃发生的时间也要早一些(图 7(c, d))，不同井区可能有所不同，在距今100 Ma或者距今330 Ma开始.在卡塔克隆起上，石炭-二叠纪的构造-热事件是奥陶系烃源岩开始二次生烃的决定性因素，地层埋深也有贡献，使奥陶系烃源岩从低-中成熟阶段演化至现今的中-高成熟阶段.并且从西北到东南，二次生烃开始的时间逐渐变晚，西北部的Z1和Z11井等二次生烃发生时间大致在泥盆纪晚期(400 Ma)，中部的几口井大致都是在石炭纪(320 Ma)开始二次生烃的，而东南部的井在二叠纪末期才开始二次生烃(230 Ma)(图 5(c, d, e))，这些应该是抬升剥蚀程度的不同和地层沉降速率不同造成的.但无论对于哪个位置来说，泥盆纪以来开始的二次生烃才是卡塔克隆起下古生界烃源岩的主要生烃期.古城墟隆起上，沉积埋藏史显示，石炭纪末的地层埋深应该与奥陶纪末期差不多，因此，在距今大致250 Ma发生的二次生烃应该主要是石炭-二叠纪大地热流升高的作用，而有一次在距今大致100 Ma的生烃应是地层沉降到足够深度的原因.

寒武系烃源岩二次生烃的范围分布在巴楚隆起、沙雅隆起凸起部位和卡塔克隆起中部.在沙雅隆起上英买力地区和奥陶系范围相同，但轮南地区要远大与奥陶系(图 8b).卡塔克隆起上也基本与奥陶系范围相同.对于巴楚隆起来说，早奥陶世少量的抬升剥蚀对寒武系烃源岩生烃过程有一定影响，使烃源岩演化过程停止，此后同样是因为构造-热事件和地层埋深的双重作用，引起了志留纪(大致距今430 Ma)的二次生烃并且在二叠纪达到过成熟阶段(图 4a).从海西末期巴楚隆起抬升剥蚀，直到喜马拉雅期才接受沉积，因此新近系以来的沉积对下部地层的热演化没有影响，所以现今测得的烃源岩成熟度应该是晚海西期的成熟度.不过前人研究证明，上寒武统烃源岩在本区并没有分布^[37]，且巴楚地区的烃源岩在晚古生代以前都没有达到主生烃期，古生代末期地层迅速下沉才达到最大埋深，因此本地区应该重点考虑的是中-下寒武统烃源岩古生代末期二次生成的油气.卡塔克隆起和英买力凸起寒武系二次生烃开始的时间与奥陶系特征相同(图 5，图 7).轮南地区受地层沉降影响，在距今大约340Ma开始二次生烃(图 7d).

通过以上研究发现，构造-热演化条件控制下的塔里木盆地寒武-奥陶系烃源岩二次生烃范围集中在塔北隆起带和中央隆起带上，具体分布在巴楚隆起、卡塔克隆起中部、古城墟隆起西端和沙雅隆起的凸起部位.

以TZ6井为例来探讨二次生烃的控制因素.改变热史条件，假设二叠纪地温梯度G没有上升，生烃史结果显示二次生烃开始的时间有所改变，从实际情况的二叠纪晚期推迟到三叠纪.假设石炭纪以后地温梯度一直在降低，二次生烃便不会发生(图 9a).

图 9

Fig. 9

图 9 热史和剥蚀量对二次生烃的影响 (a)热史对二次生烃的影响；(b)剥蚀量对二次生烃的影响. Fig. 9 Influence of thermal history and erosion on secondary hydrocarbon generation (a^^Influence of thermal history on secondary hydrocarbon generation；(b)^Influence of erosion on secondary hydrocarbon generation.

实际上TZ6井奥陶系地层剥蚀量达到2300m.假设奥陶系地层剥蚀量只有1200m, 得出的烃源岩成熟度史与实际情况便有了明显差异，奥陶系地层因为在泥盆纪以前都没有开始生油，所以没有二次生烃现象发生，只有寒武系烃源岩发生了二次生烃.当把奥陶系剥蚀量He 人为减少到300 m 以下时，下古生界烃源岩的演化是一连续过程(图 9b).

由以上分析看出，影响二次生烃的因素有热史、剥蚀量和现今的地层埋藏深度，总的来说其实就是盆地的构造-热演化史控制着二次生烃及其特征.

不同构造单元二次生烃的主要区别是发生时间不同，这必然影响油气藏的形成和分布.以塔河油田为例，利用油气地球化学特征所进行的成藏期研究结果显示，塔河油田存在着3 次油气充注与成藏过程:加里东晚期-海西早期为中-低熟原油，海西晚期的正常原油及其伴生气充注为塔河油田的主要成藏期，喜山晚期则为高温裂解气的充注^{[43， 44]}.此结果与二次生烃期次特征吻合较好，以本区的LN14井为例，奥陶纪的一次生烃对应第一期油气充注，此时中上奥陶统烃源岩基本上还没有开始生油，下奥陶统烃源岩刚刚达到低成熟阶段，寒武系烃源岩部分开始大量生油；而从石炭纪开始的二次生烃正对应了第二期的油气充注，此时寒武系烃源岩处于大量生油气阶段，奥陶系烃源岩也逐渐进入大量生油气期；最后一期的高温裂解气则对应了新生代地层快速下沉造成的烃源岩快速演化至高-过成熟阶段(图 7e).